CH680819A5 - - Google Patents
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Description
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CH 680 819 A5 CH 680 819 A5
2 2nd
Beschreibung description
Gegenstand der Erfindung ist ein Stecker für einen laseroptischen Lichtwellenleiter gemäss des Anspruches 1. The invention relates to a connector for a laser-optical light waveguide according to claim 1.
Faseroptische Lichtwellenleiter werden in den letzten Jahren in zunehmendem Masse zur irdischen Nachrichtenübertragung, aber zum Beispiel auch für mikrochirurgische Operationen eingesetzt. Dabei dienen die Lichtwellenleiter häufig als Leiter für Laserlicht, das entsprechend fokussiert in den Lichtwellenleiter überführt wird. In recent years, fiber optic optical fibers have been used to an increasing extent for earthly transmission of messages, but also, for example, for microsurgical operations. The optical waveguides often serve as conductors for laser light, which is transferred into the optical waveguide with a corresponding focus.
Hieraus ergibt sich bereits, dass die Stirnfläche des Lichtwellenleiters im Brennpunkt des entsprechenden Linsensystems angeordnet werden muss, um eine möglichst vollständige Energieübertragung zu erreichen. Zu diesem Zweck ist es weiterhin erforderlich, eine absolut plane Stirnfläche des Lichtwellenleiters zu besitzen, um Streustrahlen und Reflexionen soweit wie möglich zu verhindern. It already follows from this that the end face of the optical waveguide must be arranged in the focal point of the corresponding lens system in order to achieve the most complete possible energy transfer. For this purpose, it is also necessary to have an absolutely flat end face of the optical waveguide in order to prevent scattered rays and reflections as far as possible.
Dazu sind Stecker bekannt, die einen mittigen axialen Durchgangskanal besitzen, in dem der Lichtweilenleiter angeordnet wird. Nach der Konfektionierung der Faser wird dessen freie Stirnfläche gemeinsam mit der Stirnfläche der Steckerspitze plangeschliffen. For this purpose, plugs are known which have a central axial through-channel in which the optical fiber is arranged. After the fiber has been assembled, its free end face is ground together with the end face of the plug tip.
Insbesondere bei der Verwendung faseroptischer Lichtwellenleiter für hochenergetische Anwendungsfälle zum Beispiel bei der Materialbearbeitung oder der Medizintechnik, wo Energien im Milli-watt- bis Wattbereich übertragen werden müssen, besteht bei der Verwendung des vorstehend beschriebenen Steckers die Gefahr, dass es durch schräg einfallende Lichtanteile oder Reflexionen zu Abbrandverlusten an der Übergangsstelle von fo-kussiertem Laserlicht zum Lichtwellenleiter aufgrund der hohen Übertragungsenergien kommt. Diese Abbrandverluste entstehen vor allem im Bereich des den optisch wirksamen Kern der Faser umhüllenden Polymermantels, der In der Regel wiederum von einer äusseren Beschichtung umgeben ist, um der Faser insgesamt eine bestimmte Biegsamkeit zu verleihen, wie sie zum Beispiel für den Anwendungsbereich Endoskopie notwendig ist. Die Folge derartiger Abbrandverluste ist, dass keine sichere Energieübertragung mehr gewährleistet werden kann und der Stecker mit angeschlossenem Licht-welienleiter ersetzt werden muss. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Stecker für den eingangs genannten Anwendungsbereich anzugeben, mit dem die beschriebenen Nachteile verhindert werden können. Dabei soll der Stecker vorzugsweise so gestaltet sein, dass er auch für Einmal-Anwendungsfälle, wie sie in der Medizintechnik häufig vorkommen, wo zugehörige Endoskope nach einer Operation aus hygienischen Gründen verworfen werden, eingesetzt werden kann. In particular when using fiber optic optical fibers for high-energy applications, for example in material processing or medical technology, where energy in the milli-watt to watt range has to be transmitted, there is a risk when using the connector described above that it will be caused by obliquely incident light components or reflections there is loss of erosion at the transition point from focused laser light to the optical fiber due to the high transmission energies. These burn-off losses arise above all in the area of the polymer sheath that envelops the optically active core of the fiber, which is usually in turn surrounded by an outer coating in order to give the fiber a certain overall flexibility, as is necessary, for example, for the endoscopy application area. The consequence of such burn-off losses is that safe energy transmission can no longer be guaranteed and the plug with the connected optical fiber must be replaced. It is therefore an object of the present invention to provide a plug for the application area mentioned at the beginning, with which the disadvantages described can be prevented. The connector should preferably be designed in such a way that it can also be used for single-use applications, such as are common in medical technology, where associated endoscopes are discarded for reasons of hygiene after an operation.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die beschriebenen Abbrandverluste im Bereich des Mantels des Lichtwellenleiters vor allem dadurch bedingt sind, dass durch den «geschlossenen Einbau» des Lichtwellenleiters in einem bekannten Stecker keine ausreichende Wärmeabfuhr gegeben ist und folglich für eine Kühlung der Faser gesorgt werden muss. Dabei hat die Erfindung weiter erkannt, dass eine externe Kühlung, zum Beispiel über ein Kühlaggregat, aus technischen Gründen praktisch ausscheidet, weil der zu kühlende Abschnitt des Lichtwellenleiters mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,5 mm und einer Länge von wenigen Millimetern zu klein ist, um eine gezielte Kühlung mittels eines Kühlaggregates zu bewirken. The invention is based on the knowledge that the burn-up losses described in the region of the cladding of the optical waveguide are primarily due to the fact that the “closed installation” of the optical waveguide in a known plug does not give adequate heat dissipation and consequently provides cooling of the fiber got to. The invention further recognized that external cooling, for example via a cooling unit, is practically eliminated for technical reasons because the section of the optical waveguide to be cooled is too small with a diameter of, for example, 0.5 mm and a length of a few millimeters, to bring about targeted cooling by means of a cooling unit.
Um so überraschender ist es, dass nunmehr festgestellt wurde, dass sich die gewünschte Kühlung verblüffend einfach dadurch bewerkstelligen lässt, dass der freie Endbereich der Faser von der Beschichtung befreit wird und nur noch aus dem optisch wirksamen Kern und einem diesen umhüllenden dünnen Mantel besteht und dieser freie Endabschnitt so angeordnet wird, dass er keinen unmittelbaren Berührungskontakt zu der Durchgangsöffnung im Stecker beziehungsweise dessen Stirnfläche aufweist. Mit anderen Worten: der freie Endbereich der Faser soll nunmehr den Durchgangskanal beziehungsweise die zugehörigen Teile zum Positionieren des Lichtwellenleiters frei nach vorne überragen. It is all the more surprising that it has now been found that the desired cooling can be accomplished amazingly simply by removing the coating from the free end region of the fiber and only consisting of the optically active core and a thin jacket enveloping it and this free end section is arranged so that it has no direct contact to the through opening in the connector or its end face. In other words: the free end region of the fiber should now project freely beyond the through channel or the associated parts for positioning the optical waveguide.
Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass zum Teil bereits ein freier, vorragender Abschnitt des Lichtwellenleiters von etwa 1 mm ausreicht, um die vorstehend beschriebenen Abbrandverluste vollständig zu verhindern, weil durch das freiliegende Ende des Lichtwellenleiters eine ungehinderte Abstrahlung von Lichtwellen und damit von Energie aus dem Polymermantel in die Umgebung möglich wird. It has surprisingly been found that a free, protruding section of the optical waveguide of about 1 mm is already sufficient to completely prevent the above-described burn-up losses, because the exposed end of the optical waveguide enables unobstructed radiation of light waves and thus of energy from the Polymer sheath in the environment becomes possible.
Danach betrifft die Erfindung einen Stecker für einen faseroptischen Lichtwellenleiter mit einem optisch aktiven Kern, einem, den Kern umhüllenden Mantel sowie einer darum angeordneten äusseren Beschichtung zur lösbaren Ankopplung an hochenergetisches Laserlicht aussendende elektro-opti-sche Bauteile mit folgenden Merkmalen: According to the invention, the invention relates to a connector for a fiber-optic optical waveguide with an optically active core, a sheath enveloping the core and an outer coating arranged around it for detachable coupling to electro-optical components emitting high-energy laser light with the following features:
- Der Stecker weist ein Steckergehäuse auf, - The connector has a connector housing,
- im Steckergehäuse sind ein axialer Durchgangskanal sowie Positionierungsmittel zur Aufnahme und Festlegung des Lichtwellenleiters angeordnet, an axial through-channel and positioning means for receiving and fixing the optical waveguide are arranged in the plug housing,
- der Lichtwellenleiter verläuft bis in den Bereich der Steckerspitze, - the optical fiber runs into the area of the plug tip,
- der Lichtwellenleiter ist an seinem freien Ende ohne äussere Beschichtung ausgebildet, the optical waveguide is formed at its free end without an outer coating,
- das freie Ende des Lichtwellenleiters ist beabstandet zur Wand des Durchgangskanals angeordnet und/oder es überragt den Durchgangskanal der entsprechenden Positionierungsmittel. - The free end of the optical waveguide is spaced from the wall of the through channel and / or it projects beyond the through channel of the corresponding positioning means.
Im einfachsten Fall würde sich der Stecker von einem bekannten Stecker dadurch unterscheiden, dass der optisch aktive Kern mit zugehörigem Mantel mit seinem freien Ende die Stirnfläche der Steckerspitze überragt. Mit einer solchen Ausführungsform wird zwar der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung realisiert, es besteht jedoch die Gefahr, dass bei der Anwendung eines solchen Steckers die vorstehende Spitze des Lichtwellenleiters abbricht. In the simplest case, the plug would differ from a known plug in that the optically active core with the associated jacket projects with its free end over the end face of the plug tip. Although such an embodiment realizes the core idea of the present invention, there is a risk that the protruding tip of the optical fiber breaks off when such a connector is used.
Aus diesem Grunde wird nach einer vorteilhaften Ausfüfirungsform vorgeschlagen, den Lichtwellen-ieiter so anzuordnen, dass seine Stirnfläche am freien Ende mit der Stirnfläche der Steckerspitze For this reason, according to an advantageous embodiment, it is proposed to arrange the optical waveguide in such a way that its end face at the free end matches the end face of the plug tip
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CH 680 819 A5 CH 680 819 A5
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fluchtet oder mit geringem Abstand nach hinten versetzt endet. aligns or ends a short distance behind.
Aufgrund der obigen Ausführungen ergibt sich hieraus implicid, dass bei dieser Ausführungsform zwischen der Umfangsfläche des freien Endes der Faser und der korrespondierenden Wandung des Durchgangskanals ein Hohlraum ähnlich einem Ringkanal verbleiben muss. Dieser Hohlraum wird ohne weiteres bereits dadurch realisiert, dass der entsprechende Abschnitt des Lichtwellenleiters keine äussere Beschichtung aufweist. Ebenso kann es aber auch vorteilhaft sein, den entsprechenden stirnseitigen Abschnitt des Durchgangskanals mit einer grösseren Öffnungsweite auszubilden, insbesondere dann, wenn in diesem Bereich ein Zentrierelement für den Lichtwellenleiter angeordnet wird. Based on the above statements, this implicitly means that, in this embodiment, a cavity similar to an annular channel must remain between the peripheral surface of the free end of the fiber and the corresponding wall of the through-channel. This cavity is already readily realized in that the corresponding section of the optical waveguide has no outer coating. However, it can also be advantageous to design the corresponding end section of the through-channel with a larger opening width, in particular when a centering element for the optical waveguide is arranged in this area.
Ein solches Zentrierelement wird deshalb bevorzugt, um eine sichere und exakte Positionierung der Faser im Stecker und eine genaue Zuordnung der Stirnfläche der Faser am Brennpunkt des aufzunehmenden Laserlichts zu gewährleisten. Such a centering element is therefore preferred in order to ensure safe and exact positioning of the fiber in the connector and an exact assignment of the end face of the fiber at the focal point of the laser light to be recorded.
Das Zentrierelement ist dann versetzt zur freien Stirnfläche der Steckerspitze angeordnet, während die Faserspitze darüber hinausragt und vor oder mit der Stirnfläche der Steckerspitze fluchtet. Auf diese Weise kann die Stirnfläche der Steckerspitze gleichzeitig zur Positionierung des Steckers an einem korrespondierenden elektro-optischen Bauteil genutzt werden. The centering element is then offset from the free end face of the plug tip, while the fiber tip protrudes beyond it and is aligned in front of or with the end face of the plug tip. In this way, the end face of the plug tip can simultaneously be used to position the plug on a corresponding electro-optical component.
Dabei kann auch der vom Zentrierelement er-fasste Abschnitt des Lichtwellenieiters ohne äussere Beschichtung ausgebildet sein, während der dahinter, im Durchgangskanal des Steckers einliegende Abschnitt des Lichtwellenleiters in üblicher Weise ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform dient das Zentrierelement gleichzeitig zur zusätzlichen Kühlung des vorderen Abschnittes des Lichtwellenleiters und besteht zu diesem Zweck vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material. The section of the optical waveguide grasped by the centering element can also be formed without an outer coating, while the section of the optical waveguide lying behind it and in the through-channel of the connector is designed in the usual way. In this embodiment, the centering element serves at the same time for additional cooling of the front section of the optical waveguide and, for this purpose, is preferably made of a good heat-conducting material.
Zum Beispiel für medizinische Anwendungsfälle wie Endoskopie weist der optisch aktive Kern des Lichtwellenleiters einen Durchmesser von weniger als 0,5 mm auf. Der den Kern umhüllende Mantel, der insbesondere aus einem Polymer besteht, aber auch aus anderen Werkstoffen, zum Beispiel Gläsern bestehen kann, ist nur wenige um dick. Zusammen mit der äusseren Beschichtung ergibt sich ein Gesamtdurchmesser von etwa einem Millimeter. In diesem Fall genügt es, den freien Endabschnitt des Lichtwellenleiters etwa ein Millimeter auf die beschriebene Art und Weise frei vorstehen zu lassen. Hierdurch können Lichtwelien, die unter einem relativ steilen Winkel einfallen, ungehindert durch den Mantel In den freien Umgebungsraum abstrahlen, während die unter relativ flachen Winkeln einfallenden Lichtwellen im rückwärtigen Bereich des Lichtwellenleiters ohne weiteres am Grenzflächenbereich zwischen optisch aktivem Kern und umhüllenden Polymermantel total reflektiert werden. Hierauf beruht letztendlich das Prinzip der faseroptischen Lichtwellenleiter. For example, for medical applications such as endoscopy, the optically active core of the optical waveguide has a diameter of less than 0.5 mm. The sheath enveloping the core, which consists in particular of a polymer, but can also consist of other materials, for example glasses, is only a few μm thick. Together with the outer coating, the overall diameter is approximately one millimeter. In this case, it is sufficient to allow the free end section of the optical waveguide to protrude freely about one millimeter in the manner described. As a result, light waves that are incident at a relatively steep angle can radiate unhindered through the jacket into the free surrounding space, while the light waves incident at relatively flat angles in the rear area of the optical waveguide are easily totally reflected at the interface area between the optically active core and the enveloping polymer jacket. Ultimately, this is the basis of the principle of fiber optic light waveguides.
Der Stecker selbst besteht vorzugsweise aus Metall und der Lichtwellenleiter wird zum Beispiel durch Crimpen am Steckergehäuse festgelegt, wobei die Crimpstelle in einem Bereich des Leiters vorzusehen ist, in dem dieser eine äussere Beschichtung aufweist, um eine Deformation des Polymermantels beziehungsweise des optisch aktiven Kerns zu verhindern. The plug itself is preferably made of metal and the optical waveguide is fixed, for example, by crimping on the plug housing, the crimping point being provided in an area of the conductor in which it has an outer coating in order to prevent deformation of the polymer jacket or the optically active core .
Selbstverständlich muss die Stirnfläche des freien Endes des Lichtwellenleiters auch im vorliegenden Fall möglichst absolut plan sein, um Streustrahlen zu unterbinden. Ein gemeinsames Planschleifen mit der Stirnfläche der Steckerspitze scheidet hier aus, dass der spröde Leiter frei die zugehörigen Steckerbauteile überragt und abbrechen würde. Überraschenderweise hat sich aber gezeigt, dass eine absolut plane Stirnfläche durch einfaches Brechen ebenfalls erreicht werden kann. Of course, the end face of the free end of the optical waveguide must also be as flat as possible in the present case in order to prevent stray rays. A common face grinding with the end face of the plug tip rules out that the brittle conductor freely protrudes beyond the associated plug components and would break off. Surprisingly, it has been shown that an absolutely flat end face can also be achieved by simply breaking it.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche sowie den sonstigen Anmeidungsunterlagen. Further features of the invention result from the features of the dependent claims and the other notification documents.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei in der einzigen Figur in stark schematisierter Darstellung ein Stecker mit einliegendem faseroptischen Lichtwellenleiter im Schnitt dargestellt ist. The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment, a connector with an inserted fiber optic optical waveguide being shown in section in the single figure in a highly schematic representation.
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist der hintere, hier nicht interessierende Teil des Steckers 10 nicht dargestellt. Der vordere, in der Figur rechte Teil des Steckers 10 besteht aus Metall und weist eine stirnseitige, nach innen verlaufende Bohrung 12 auf, in der eine Steckerspitze 14 ortsfest einliegt. For reasons of better clarity, the rear part of the plug 10, which is not of interest here, is not shown. The front part of the plug 10, which is on the right in the figure, is made of metal and has a front-side, inwardly extending bore 12, in which a plug tip 14 is fixed.
Koaxial zur Mittenlängsachse M ist im Stecker 10 sowie der Steckerspitze ein Durchgangskanal 16 mit Kreisquerschnitt angeordnet. Der Durchgangskanal weist einen Durchmesser d auf. Zum vorderen, in der Figur rechten Ende hin ist der Durchgangskanal 16 mit einem vergrösserten Innendurchmesser D ausgebildet. Der Stecker 10 weist so im Bereich des freien Endes 14a der Steckerspitze 14 eine topfför-mige Ausnehmung 18 auf. A through-channel 16 with a circular cross-section is arranged coaxially to the central longitudinal axis M in the connector 10 and the connector tip. The through-channel has a diameter d. The through-channel 16 is formed with an enlarged inner diameter D toward the front end, which is on the right in the figure. The plug 10 thus has a pot-shaped recess 18 in the region of the free end 14a of the plug tip 14.
Im Durchgangskanal 16 ist ein faseroptischer Lichtwellenleiter 20 angeordnet. Dieser besteht aus einem optisch aktiven Glasfaserkern 22 mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm und einem den Kern 22 umhüllenden dünnen Poiymermantel 24 sowie einer darum angeordneten Beschichtung 26, zum Beispiel aus einem Kunststoff. A fiber optic light waveguide 20 is arranged in the through channel 16. This consists of an optically active glass fiber core 22 with a diameter of approximately 0.5 mm and a thin polymer sheath 24 enveloping the core 22 and a coating 26 arranged around it, for example made of a plastic.
Der Lichtwellenleiter 20 ist am linken, in der Figur nicht dargestellten Ende des Steckers 10 am Steckergehäuse angecrimpt und erstreckt sich entlang des Durchgangskanals 16 bis in den Bereich der Stirnfläche 14b der Steckerspitze 14. The optical waveguide 20 is crimped onto the connector housing on the left end of the connector 10, which is not shown in the figure, and extends along the through channel 16 to the region of the end face 14b of the connector tip 14.
Wie sich der Figur entnehmen lässt, ist der innerhalb der topfförmigen Ausnehmung 18 verlaufende freie Endabschnitt 20a des Lichtwellenleiters von der äusseren Beschichtung 26 befreit. As can be seen in the figure, the free end section 20a of the optical waveguide running within the cup-shaped recess 18 is freed from the outer coating 26.
fm Bereich der topfförmigen Ausnehmung 18 ist ein Zentrierelement 28 angeordnet, das dort bündig einsitzt und den freien Endbereich 20a des Lichtwellenleiters 20 flächig umschliesst, jedoch nur in einem Teilbereich, so dass die Spitze 20b des Lichtwellenleiters 20 über die Stirnfläche 28a des Zentrierelementes 28 vorragt. Wie der Figur weiter zu entnehmen ist, liegt das Zentrierelement 28 im übrigen mit seiner rückwärtigen Fläche gegen die Stufe 30 im Bereich der topfförmigen Ausnehmung 18 an. A centering element 28 is arranged in the area of the pot-shaped recess 18, which sits flush there and flatly surrounds the free end region 20a of the optical waveguide 20, but only in a partial region, so that the tip 20b of the optical waveguide 20 projects beyond the end face 28a of the centering element 28. As can also be seen from the figure, the centering element 28 lies with its rear surface against the step 30 in the region of the cup-shaped recess 18.
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Das Zentrierelement 28 ist im vorliegenden Fall in der Ausnehmung 18 eingeklebt. The centering element 28 is glued into the recess 18 in the present case.
Das wesentliche Merkmal des Steckers besteht darin, dass die Spitze 20b des Lichtwellenleiters 20 keinen Flächenkontakt zur Wand des Durchgangskanals 16 beziehungsweise der Ausnehmung 18 aufweist und den Durchgangskanal 16 beziehungsweise das Zentrierelement 28 frei überragt, so dass zwischen der Spitze 20b und der Wand der Ausnehmung 18 ein Hohlraum 32 ausgebildet wird. The essential feature of the plug is that the tip 20b of the optical waveguide 20 has no surface contact with the wall of the through-channel 16 or the recess 18 and projects freely beyond the through-channel 16 or the centering element 28, so that between the tip 20b and the wall of the recess 18 a cavity 32 is formed.
Die Stirnfläche 20c des Lichtwellenleiters 20 ist senkrecht zur Mittenlängsachse M absolut plan ausgebildet, und zwar durch Brechen des optisch aktiven Kerns 22 an dieser Stelle, und fluchtet im übrigen mit der Stirnfläche 14b der Steckerspitze 14. The end face 20c of the optical waveguide 20 is formed absolutely flat perpendicular to the central longitudinal axis M, namely by breaking the optically active core 22 at this point, and is otherwise aligned with the end face 14b of the plug tip 14.
Hierdurch wird auch bei unsachgemässem Gebrauch des Steckers 10 verhindert, dass die Spitze 20b abbrechen kann, die durch die Steckerspitze 14 geschützt wird. Gleichzeitig dient die Stirnfläche 14b der Steckerspitze 14 zur Positionierung des Steckers in einem elektro-optischen Bauteil. Dabei wird der Stecker so positioniert, dass der Brennpunkt des von dem Bauteil ausgesendeten und fo-kussierten Laserlichts direkt in der Mitte der Stirnfläche 20c des Lichtwellenleiters 20 liegt. This prevents the tip 20b, which is protected by the plug tip 14, from breaking off even when the plug 10 is used improperly. At the same time, the end face 14b of the plug tip 14 serves to position the plug in an electro-optical component. The connector is positioned so that the focal point of the laser light emitted and focused by the component lies directly in the middle of the end face 20c of the optical waveguide 20.
Sollten bei der Benutzung der Einrichtung doch einmal Lichtwellen unter einem relativ steilen Winkel in die Spitze 20b des Lichtwellenieiters 20 eindringen, so werden diese ungehindert in den Hohlraum 32 abgestrahlt. Eine Überhitzung durch Reflexionen wird verhindert. Dadurch werden Abbrandverluste durch unkontrollierbare Reflexionen und ein entsprechender Wärmestau im Bereich des Mantels verhindert. Should light waves penetrate into the tip 20b of the light wave guide 20 at a relatively steep angle when the device is used, they are emitted into the cavity 32 unhindered. Overheating due to reflections is prevented. This prevents burn-off losses due to uncontrollable reflections and a corresponding build-up of heat in the area of the jacket.
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